5G LTE窄带物联网(NB-IoT) 5

第2章  4G和5G系统

 

 

2.1 LTE历史

4G蜂窝技术，即E-UTRA或LTETM [2]，已于2008年在3GPPTM第8版中被引入，作为超出IMT-2000要求的宽带蜂窝技术[1]。 4G具有先进的功能和特性，例如更高的峰值数据速率（DL上为300 Mbps，UL上为75 Mbps），更高的系统容量和覆盖范围，更高的频谱效率，低延迟，更低的运营成本，多天线支持，灵活的带宽操作，与现有系统无缝集成。后来推出了LTE版本10（称为LTE-Advanced）作为满足IMT-Advanced要求的技术[3]。 LTE-Advanced通过载波聚合支持高达100 MHz的带宽扩展，显着增强了LTE版本8，支持更高的峰值速率（DL中为1 Gbps，UL中为500 Mbps），吞吐量和覆盖范围更高，延迟更低，从而实现了更好的用户体验。此外，LTE版本10支持更多数量的空间复用（MIMO），协调多点传输和中继节点。 2016年发布的LTE版本13（LTE-Advanced-Pro）将LTE-Advanced扩展到广泛的新应用和行业，支持智能手机以外的新用例。第13版是5G之前活动的开始，旨在补充5G新服务和功能。

 5G旨在支持国际电联对IMT-2020能力的要求[4]，如图2.1所示。用于增强型移动宽带的IMT-2020峰值数据速率预计将达到10 Gbps，并可提高至20 Gbps。与IMT-Advanced相比，预计频谱效率将提高三倍。预计IMT-2020将支持10 Mbit / s / m2的区域流量容量，以应对热点。 IMT-2020将能够提供1 ms的空中延迟，能够以极低的延迟要求支持服务。预计IMT-2020还可实现高达500 km / h的高移动性，并为高速列车提供可接受的服务质量（QoS）。最后，预计IMT-2020将支持每公里多达10台设备的连接密度，例如，在大型机器类型的通信场景中。

图2.1：国际电联IMT-2020和5G能力的目标[4] .1

 

5G无线通信网络是未来十年及以后的下一代连接和技术，其设立是为了满足IMT-2020的要求[4]。 5G LTE标准化和规范已在3GPP Release 15中开始。基于LTE和新无线电（NR）的初始5G技术规范于2018年初作为第15版的一部分完成。预计第一阶段的5G技术规范到2018年全面完工，并准备在2020年前进行商业部署。

 1经国际电联书面许可转载。

5G技术承诺为互联世界提供大量最先进的功能，包括窄带物联网（NB-IoT）(术语\ NB-IoT，“\ CIoT”，“LTE IoT”，“或\ UE”可互换使用。) [5,6]。 5G正在提供丰富的功能，如联网汽车（车对所有（V2X）），机器类型通信，设备到设备通信，小型蜂窝和中继网络。此外，还有许多其他先进功能，包括大规模MIMO和先进天线技术，自适应波束成形，同步使用许可和未许可频段，统一和单一空中接口，可固定FDD / TDD子帧设计，以及可扩展的OFDM数字和调制方案。

 虽然4G LTE将在5G商用之前继续发展，但无处不在的下一代5G网络将支持许多新用例和垂直应用，即使是最先进的4G LTE网络也无法运行。从各种物联网部署到大规模机器类型的通信场景，5G网络将比我们今天拥有的移动宽带应用程序更多。这些网络将按照非常高的数据速率（高达20 Gbps）和超低延迟（低于1 ms）以及超高可靠性进行扩展，以容纳数十亿设备[7]。

2.2 5G窄带物联网

3GPP 5G技术在版本13中引入了新的无线接口，窄带物联网（NB-IoT）[5]，并在版本14和版本15中进行了扩展.NB-IoT旨在连接大量设备形成所谓的物联网（IoT）的应用领域范围。连接的设备通过蜂窝基础设施进行通信。 3GPP还引入了适用于NB-IoT的不同数据速率，其范围从180KHz带宽（LTE Cat-NB1）中的10s Kbps到几百Kbps（LTE Cat-NB2）[2,8]。用于NB-IoT的5G新无线电还计划为大规模物联网引入高级功能，包括资源扩频多址（RSMA），用于需要异步和无授权接入的物联网用例，多跳网格，省电模式（PSM）方案，和延长的非连续接收（eDRX），延长电池寿命。

 NB-IoT是一种低功耗广域网（WAN）解决方案，可在许可的频段中运行。 3GPP将此技术作为LTE标准的一部分，以受益于LTE技术和移动运营商提供的大型生态系统。

图2.2：IMT-2020及以后的使用场景[4] .3

 5G技术不仅可以增强现有的蜂窝用例，还可以扩展到用例和场景的新时代;大型物联网，智能家居，智能城市，智能交通，智能电网，智能公用事业和仪表，可穿戴设备和远程传感器，自动驾驶和自动驾驶车辆，物体跟踪，移动虚拟现实，航空和机器人的远程控制和过程自动化，以及任务关键型控制[9,10]。图2.2说明了国际电联[4]设定的IMT-2020及以后的设想使用方案示例。

 预计在未来几年内，物联网连接设备的数量将会出现爆炸式增长。例如，到2025年，预计将通过5G NB-IoT连接超过50亿台设备。 5G NB-IoT设备的设计符合以下要求和目标：

  大量低吞吐量设备：支持小区站点内至少52,547个连接设备。该目标基于每户使用40台设备，其住宅密度基于[11,12]中提供的伦敦城市假设（1517家庭密度/ km2和小区站点间距1732米）。

  低功耗：使物联网设备能够吸收低电流（在纳安范围内），使单个电池充电多年（在10年范围内）。

 3经国际电联书面许可后生产。

 更长的电池寿命：目标是提供10年的电池寿命，电池容量为5 WH。

  改善室内和室外覆盖：与传统GPRS设备相比，目标是实现20 dB的扩展覆盖。应支持至少160 bps的数据速率

 上行链路和下行链路。

  低复杂性：目标是提供超低复杂度的设备来支持物联网应用，从而降低成本。

  低延迟：99％的设备目标是10秒或更短的延迟。

  低成本：每台设备的目标成本为5美元。

NB-IoT设备连接到蜂窝基础设施和网络。支持NB-IoT设备的蜂窝网络具有以下要求和目标：

  重新使用核心网络中的现有节电程序以增加UE电池寿命。

  支持在多个移动运营商之间共享核心网络。

  控制每个PLMN的UE接入。也就是说，支持每PLMN访问类限制。

  支持短消息服务（SMS）。

  支持基于IP的服务的IP标头压缩。

  在IDLE和CONNECTED模式下支持单元选择和（重新）选择过程。

  支持组播流量。

2.3 NB-IoT应用和场景

许多NB-IoT部署方案将使用传感器。传感器正在成为NB-IoT网络的端点，收集越来越多的上下文感知数据和信息（例如，位置，图像，天气条件）并将大量结构化和非结构化数据注入到网络和应用中。因此，大数据，分析和预测已成为NB-IoT的明显同义词。那些用作传感器的NB-IoT设备可用于以下应用：

 计量燃气，水和电的消耗。

  测量天气条件，如温度，湿度，压力，风向和紫外线（UV）指数。

  测量碳排放，汞和放射性排放等污染水平。

  测量环境活动，如噪音，花粉和尘埃水平，以及太阳活动。

NB-IoT设备也可用作执行器。执行器用于控制和操纵设备，例如控制交通信号灯，交通车道或家用电器。用作传感器的NB-IoT设备通常比用作致动器的NB-IoT设备的数量更多。

 NB-IoT承诺创建一个高度互联的世界，需要使用传感器和数据分析来感知，监控和控制家庭，汽车，农业，工业和环境场所中的所有事件。传感器生成的传感器和数据由NB-IoT设备传输和交付，最终有利于利益相关者实时分析和应用见解。以下示例现在可以使用5G NB-IoT：

  智慧城市：监控公路交通信号灯和街道交叉路口，监控和控制基础设施网格，如电力，燃气和污水;公共安全和灾害管理;视频监控;交通违规;和执法。

  智能家居：照明系统，智能家电，联网电视，游戏机，声音和影院系统，烟雾和报警系统，可穿戴设备以及儿童和宠物监控设备。

  智能交通：在车辆，行人或骑车人之间进行交通，以进行交通警告，碰撞和事故

 避免，交通安全和交通标志执法，公共汽车，火车和地下交通信息和管理，以及公共停车和停车计时器通信。

3GPP无视NB-IoT设备和传感器通常使用的许多应用，如表2.1所示。这些应用程序的特点是在一段时间内连续报告多少字节数据[7]。

表2.1 CIoT应用及其流量使用情况摘要

应用	单个单元中的设备数量	上行链路中报告间隔	上行字节数	每日上行链路总流量（KB）	报告下行链路的间隔	下行字节数	每日下行总流量（KB）
水计量	37500	1/day	200	7324	1/week	50	262
燃气计量	37500	4/hour	100	351652	1/week	50	262
废物管理	100	1/hour	50	117	None	None	0
污染监测	150	1/hour	1000	3515	2/day	1000	293
污染警报	20	4/hour	5000	9375	1/week	1000	3
公共照明	200	1/day	20000	3906	2/day	1000	390
停车管理	80000	1/hour	100	187500	1/day	100	7812
洒水	200	2/day	100	39	1/day	100	20
自助式自行车租赁	500	4/hour	50	2344	1/hour	50	586
总共	156170			565772			9628

2.4大量低吞吐量设备

预计NB-IoT设备将在家庭，汽车，城市和自治市大量使用[13,14]。 伦敦和东京这两个城市被用作模型来了解人口和家庭密度，以及使用的NB-IoT设备的数量[11]。 细胞几何形状如图2.3所示。

图2.3：CIoT细胞几何学。

3GPP 45.820定义的NB-IoT话务模型
用户接入时间间隔（H）	用户比例
24	40%
2	40%
1	15%
0.5	5%
每小时每用户接入次数	0.467
每小区支持用户数	52547

小区容量:一定时间区间内,一定流量模型下，一个小区能够正常收发数据的用户总数

小区"并发容量":不完全适用NB，一个时间点上，一个小区能够正常收发数据的用户总数

3.75Khz终端接入，180Khz带宽，“并发用户数"理论力48个

15Khz终端接入，180Khz带宽，”并发用户数”理论为12个

A-B时间段，空口资源有48个，可容纳48个用户

 每个单元设计为每个家庭最多40个设备。 表2.2显示了伦敦和东京城区的小区几何和物联网设备密度。 每个小区站点扇区的设备数量等于小区站点扇区的面积x每平方公里的家庭密度x每个家庭的设备数量。

表2.2 IoT电池容量

城市	家用密度 km2	ISD (m)	细胞部位面积 (km2)	每个房屋的设备数量	单元站点扇区内的设备数量
London	1517	1732	0.866	40	52548
Tokyo	2316	1732	0.866	40	80226

2.5电池寿命更长

NB-IoT设备由电池供电。 NB-IoT数据速率，使用情况和覆盖范围确定一次充电后该电池可以运行多长时间。当设备主动向eNodeB发送和接收时，它消耗电池能量;如果设备处于睡眠模式，则能耗大大降低。

 电池容量以瓦特小时（WH）表示。也就是说，多少能量，瓦特=伏特x电流，它可以提供一个小时。电池寿命可以通过添加在激活期间消耗的功率和设备处于睡眠模式期间消耗的功率来近似计算。设备处于活动状态时会消耗更多电量。因此，设备尽可能长时间处于睡眠模式以延长电池寿命。

 在活动模式下，功耗可能会有所不同根据流量负载情况，设备可能会在传输大量流量或流量较小之间波动。覆盖范围也会影响功耗，因为覆盖范围较差;设备需要多次传输和重传相同的消息，从而导致更高的功耗。为了获得良好的覆盖范围，设备需要以较少的次数传输其消息，从而降低功耗。

 NB-IoT设备受限于资源，即低复杂性硬件，有限的存储器和处理能力，以及没有永久能源。 NB-IoT设备可以使用不同的供电机制，例如：

  不可充电电池，只能充电一次。

  具有定期充电的可充电电池（例如，太阳能源）。

  具有不规则再充电的可再充电电池（例如，机会能量清除）。

  始终开启（例如，有源电表）。

某典型水表的NB业务应用,每天定期上报一次数据包(10年),报文大小为200字节,采用PSM模式

365days*1751uAH(最差信号)*10年*1.5(冗余系数)=9586mAH

MCL无线路损	功耗值/包	PSM功耗	总功耗/天
135dB	14uAH	80.16uAH	94.16uAH
145dB	22uAH	80.16uAH	102.16uAH
152dB	32uAH	80.16uAH	112.16uAH
158dB	751uAH	80.16uAH	831.16uAH
162dB	1016uAH	80.16uAH	1096.16uAH
164dB	1671uAH	80.16uAH	1751.16uAH

 

2.6低延迟和数据报告

图2.4：CIoT传输的不同报告。

预计在NB-IoT设备上运行的大多数应用程序都会容忍延迟。也就是说，它们具有延迟容忍性。然而，某些应用程序（例如警报应用程序）可以近乎实时地提供其数据，延迟目标为10秒。

 期望NB-IoT设备在上行链路和下行链路上发送和接收数据。这些数据采用触发报告，异常报告或定期报告[11,12]的形式，如图2.4所示。

 在触发报告（也称为命令 - 响应流量交换）中，eNodeB向NB-IoT设备发送命令，其中来自NB-IoT的响应是可选的。命令的示例是诸如打开/关闭灯或电开关或报告仪表读数。通常，命令的有效载荷大小约为20字节，而响应有效载荷大小约为100字节，总往返延迟为10秒。每个命令 - 响应交换可以以1天，2小时，1小时或30分钟的间隔重复。

 异常报告是NB-IoT设备传输的特殊数据。用作传感器的NB-IoT设备通常用于监视物理条件，如果满足此条件，则触发传输异常报告。例如，烟雾探测器和警报器，燃气或电力故障探测器或智能电表传输异常报告，其上行链路有效负载为20字节，延迟最长为10秒。

通过从eNodeB接收具有零长度分组的ACK信号来确认异常报告。 NB-IoT设备定期发送定期报告。用于智能公用事业（水，煤气或电力），智能农业或智能环境的NB-IoT设备是那些定期报告的设备的示例。周期性报告发出的数据大小介于20个字节和最多200个字节之间。每隔一段时间传输周期性数据，可以是1天，2小时，1小时或30分钟。

最后，预计偶尔会发生对NB-IoT设备的软件升级和更新。这包括重新配置NB-IoT软件或应用程序。预计将进行此类升级的有效负载

在200 - 2,000字节的范围内，周期时间间隔为180天。

 表2.1显示了可以在NB-IoT设备上触发命令响应，异常或定期报告流量的不同应用程序[7]。

2.7 LTE NB-IoT协议栈和架构

图2.5：OSI数据平面协议栈。

网络协议栈被设计成存在于发送和接收节点的分层体系结构。每个层运行一个协议，该协议可以与同一层的对等节点通信。协议交换消息，分组或协议数据单元（PDU）以便向上层提供服务或功能。协议还与下层交换这些消息，数据包或PDU以使用其功能和服务。

 图2.5显示了分层架构。这些层是开放系统互连（OSI）参考模型的层，它是由国际标准组织（ISO）开发的计算机网络的国际标准。通常，分层架构进一步垂直划分为两个平面：数据平面和控制平面。第一个是用户数据在两个节点之间流动的平面，而后者是交换控制信息的地方。其中一些层可能不存在于控制平面中，例如应用程序，会话和表示层。图2.7和2.8分别显示了NB-IoT协议栈的数据平面和控制平面。

图2.5中最底部的两层也称为Access Stratum（AS）。这两层负责处理和处理媒体上的物理传输或接收。在典型的网络中，物理介质可以是以太网电缆，无线信道或任何其他形式的物理连接。随着媒体从网络变为另一个（例如，从以太网到WiFi网络），MAC和PHY层协议也需要改变，因为它们要处理不同类型的媒体。在NB-IoT的情况下，物理媒体是无线信道，MAC层和PHY层都被称为接入层。因此，上五层是非接入层（NAS），并且它们在不同类型的物理介质上几乎相同，因为它们的协议和功能独立于物理介质。

图2.5中所示的层将其数据单元交换为服务数据单元（SDU）或协议数据单元（PDU）。 SDU指的是层内的数据单元（即，层内数据单元），而PDU指的是层之间交换的数据单元（即，层间数据单元）。三层的SDU和PDU如图2.6所示。每个层具有其自己的SDU，当将SDU交换到上层或下层时，每个层附加有用于每个层（H1，H2，H3）的头部。在发送路径上，每个层通过标头附加其SDU并将其向下发送到它下面的层。在接收路径上，每个层将其SDU发送到上层。每层知道其头部的大小，因此可以剥离从下层接收的PDU以提取SDU。另外，每个层可以向其SDU添加尾部（例如，校验和或完整性保护预告片）。

 另一方面，NB-IoT具有其在特定类型的媒体上发送和接收的协议栈，服务和功能的分层体系结构;在这种情况下，它是无线信道。 NB-IoT没有如图2.5所示的所有层，但是只有最多的两个底层，MAC和PHY层，同时保持其余的上五层不变。这是因为3GPP协议栈仅违反仅驻留在MAC层和PHY层的接入层和空中接入方法和协议。可以使用传输和网络层协议（TCP / IP），因为它们现在存在于3GPP协议和层之上。

图2.6：服务数据单元和协议数据单元。

图2.7：NB-IoT数据平面协议栈。 

图2.8：NB-IoT控制平面协议栈。

图2.9：通过NB-IoT协议栈进行数据包遍历。

图2.7和2.8示出了用于数据平面和控制平面的ISO栈内的3GPP协议栈。在图2.7中，正如预期的那样，3GPP仅限于接入层：分组数据汇聚协议（PDCP），无线链路控制（RLC），媒体访问控制（MAC）和物理（PHY）子层，而在图2.8中，附加控制平面子层也由3GPP定义：无线电资源控制（RRC）和非接入层（NAS）。

 在本书中，我们描述并解释了PDCP，RLC，MAC和PHY子层中的3GPP数据平面和控制平面协议栈。另外，还解释了来自控制平面堆栈的RRC子层。该书解释了为5G LTE NB-IoT网络引入的这些子层。 NAS层是与其他3GPP协议栈（例如UMTSTM）一起演进并存在的信令层。

图2.9说明了数据包如何遍历网络层（IP层）和不同的NB-IoT数据平面协议栈; PDCP，RLC，MAC和PHY子层。这些子层中的每一个的详细说明将在以下章节中进行。

 LTE已经发展成为其前身系统UMTS的增强版。增强型UMTSTM地面无线电接入和网络（E-UTRA和E-UTRAN）分别是3GPP用于LTE UE及其核心网络的官方名称。 E-UTRAN由eNodeB组成，eNodeB充当连接到大量NB-IoT设备的中央控制器（例如，基站）。不同的eNodeB通过诸如S1和X2协议之类的协议彼此连接并连接到核心网络。术语E-UTRAN指的是网络侧（eNodeB和核心网络），而术语E-UTRA指的是UE侧。

图2.10说明了这种架构。每个eNodeB负责向地理区域提供无线电覆盖，并且该区域中的所有NB-IoT设备可以连接到该eNodeB。单个或多个eNodeB属于移动运营商（例如，AT＆T，T-Mobile）。移动运营商服务区内的所有NB-IoT设备都配备有USIM卡，以便在移动运营商网络上实现其服务。

 eNodeB通过X2协议和接口相互连接。 eNodeB还通过S1接口连接到作为核心网络的EPC（演进分组核心）4。更具体地，eNodeB借助于S1-MME接口连接到MME（移动性管理实体）并且通过S1-U接口连接到服务网关（S-GW）。 S1-MME接口承载控制平面消息和信令，而S1-U接口承载数据平面消息。

 4术语EPC或核心网络可互换使用。

图2.10：LTE NB-IoT网络架构。

图2.11：UE和eNodeB的3GPP LTE NB-IoT协议栈。

图2.11示出了NB-IoT UE，eNodeB和核心网络（EPC）处的整体3GPP协议栈。被称为演进分组核心（EPC）的LTE核心网络具有与eNodeB的两个接口; S1-MME协议承载所有信令消息，S1-U承载所有用户或数据消息。数据平面业务从UE流向eNodeB，通过S1-U接口流向S-GW，分组网关（P-GW），最后流向互联网。控制平面业务通过S1-MME接口从UE流向eNodeB到MME。

MME是控制平面组件，因为它包含NAS，NAS是用于发信号通知与UE的消息交换的锚点。由于MME区域内的NB-IoT设备的数量可以是数十万个设备，因此来自NB-IoT设备的大量通信可能使MME不堪重负。为了处理如此大量的NB-IoT设备，可以有多个MME与相同的eNodeB通信并在它们之间执行负载平衡。 MME还与S-GW和P-GW通信。 MME的主要功能是：

  NAS信令（例如，附着和跟踪区域更新过程，承载建立和释放）。

  授权和身份验证。

  选择S-GW和P-GW

  合法拦截信令消息或数据平面消息搭载信令消息。

服务网关（S-GW）是EPC中的第一个通过S1-U接口从UE接收数据平面分组的组件。如果UE的数据平面分组与NAS信令消息搭载，则那些分组不通过S-GW。 S-GW的主要功能如下：

  分组转发和路由到P-GW。

  考虑UE流量。

  本地移动锚。如果UE移动到不同的EPC，则其流量通过其归属S-GW路由。

  合法拦截数据平面数据包。

分组网关（P-GW）是分组数据网络（PDN）的网关，是EPC中的第二个网关。它充当用于提供到UE到因特网，应用和服务的连接的接入点。 P-GW的主要功能如下：

 支持IPv4，IPv6，DHCPv4，DHCPv6，并为UE分配IP地址。

  将EPS承载QoS参数（QCI和ARP）映射到DiffServ代码点。

  包过滤和检查。

  下行链路和上行链路中UE的数据速率实施。

  考虑下行链路和上行链路的UE业务量。

  合法拦截数据平面数据包。

HSS（归属订户服务器）是用于存储和更新UE订阅信息的另一EPC组件。 HSS还存储UE信息，其中生成用于身份和流量加密的不同安全密钥。 HSS的主要功能如下：

  UE识别和寻址。它包含IMSI（国际移动用户识别码）或移动电话号码。

  UE个人资料信息。这包括UE订阅的服务质量信息（例如最大允许比特率或允许的流量类别）。

  在MME和UE之间提供认证。

  提供用于在UE和eNodeB之间交换的加密和完整性保护信令和数据平面消息的安全密钥。

在本书中，我们描述了NB-IoT设备侧的3GPP LTE NB-IoT协议栈。值得注意的是，相同的NB-IoT设备堆栈存在并在eNodeB处镜像。但是，在eNodeB端，堆栈有多个实例;每个NB-IoT设备一个。

2.8 NB-IoT操作模式

NB-IoT的无线电接口可以支持三种操作模式，如图2.12所示。以下是NB-IoT设备支持的模式：

  带内：利用LTE频段。它利用LTE载波带宽内的资源块，其中LTE的一个物理资源块占用180KHz的带宽。

 

图2.12：NB-IoT操作模式。

  Guardband：利用LTE频段。它利用LTE载波的保护频带内未使用的（保护）资源块。

  独立：使用除LTE之外的专用载波（例如，GSM）。它占用一个GSM频道（200 KHz）。

对于带内模式，NB-IoT信号在LTE带宽内占用180KHz或一个物理资源块（PRB）。当PRB不用于NB-IoT时，eNodeB可以将其安排用于其他LTE流量。